基于LabVIEW控制的桌面四轴机器人设计

彭高志++吴健章++孔德锐++黄少鑫+练启程

摘要：随着中国制造业的转型升级，各级企业机器换人项目的开展，以最做低的成本替换劳动力成为企业的殷切期盼。当前企业主流的做法是将六轴工业机器人运用于生产线中，替换以往工人的搬运、安装、涂胶等工作，六轴工业机器人成本较昂贵，不太适应于小企业的应用。在工业生产中，仍有很多劳动工人在从事着非常简单的工作，这部分工作通常使用四轴机器人可以完成。桌面四轴机器人的设计和研究机器人，包括一个完整的机器人系统包括机械、硬件和软件部分。设计时需要考虑结构、控制系统设计、运动学分析等部分。通过调试桌面四轴工业机器人功能达到了预期的效果。

关键词：桌面四轴工业机器人；机械臂；控制系统设计

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）12-0014-03

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置。从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械人的发展，使得机器人离我们日常生活越来越近。

说到机器人，大家可能都会想到ABB、KUKA等国外老牌的企业生产研发的大型工业机械人，他们一般外形粗笨、充满力量，但是随之而来的还有价格高，不接地气等劣势，从而达不到消费级。

在这种情况的驱使下，一种轻型的机器人——桌面机器人，被国内外的机器人团队作为创业目标和工具，已在机器人产业形成了后起之势。桌面机器人能够轻松完成各种的日常动作，给面包涂果酱，为咖啡加糖，写毛笔字，操作电脑键盘，甚至穿针引线等，工业机器人末端装上3D打印喷头，它还能变身为一台桌面级3D打印机，使用塑料和食物类材料能够实现常规的3D打印。

1 机器人机构设计

本文介绍桌面四轴机器人是由四个自由度组成的机构，其中三个自由度需要电机驱动。有一个无驱动自由度，它的动作是使执行部件通过连杆在机器人运动中能够保水平。

1.1 机器人转盘云台设计

如图1云台转盘所示，其中包括步进电机，转盘，平面滚针和相关的法兰和垫板组成。如此的做法是为了电机带动上层连杆运动时可以提高它的载重和降低对电机的损害。42步进电机轴与机箱相连接，步进电机与转盘内环相连，内环一端与两个平面滚针相连接，而另一端又与上层连接。当电机旋转时，由于轴是与机箱相连接，所以电机自身的转动带动转盘内环旋转，转盘内环由于与上层相连接，从而带动上层做一个旋转的运动。

如图1所示，1步进电机是一个带减速箱的步进电机，减速箱减速比10，步进电机保持扭矩0.6N.m，电流1.96A，电阻1.9Ω。

P=I^2*R 公式2-1

T1=9549×P/n 公式2-2

T2=T1*10 公式2-3

由以上公式2-1，2-2，2-3可求出额定功率P=0.007KW，n=111.405rpm，输出转矩T2=6N.m。

2转盘内环，3转盘外环，3转盘外环与4外环垫板相连接。由于内环与外环之间轴向、横向都存在很大的间隙，在运动的过程中由于离心力的作用，会使转盘转动时不同心。而且1步进电机是直接与6电机法兰相连接，他们之间属于刚性连接。再者上层的连杆机构中心是偏向一边，在电机带动上层转动时对转盘的受力永远压向一边。如果在长时间高强度工作，对电机轴的影响可能会导致电机轴弯曲，从而损坏电机。需要解决的问题：间隙，受力。为了解决这些问题，把内环通过垫板连接两个平面滚针，两个平面滚针之间是与外环连接的4外环垫板。外环垫板中心有一轴套，轴套的作用是让平面滚针以轴套为中心旋转。通过这一系列的设计消除了轴向和横向的间隙，降低了电机的损伤，再者加大了载重能力。若想带动上层机构的旋转，还需要一个8机械臂旋转盘，8机械臂旋转盘与机箱之间的连接需要通过一个平面滚针连接。8机械臂旋转盘再与上层的电机支架相连接。电机旋转带动上层转动。

1.2 连杆机械臂设计

臂驱动机构由两个步进电机组成，如图2所示。

小臂驱动电机提供动力给小臂，它们之间的传动通过连杆实现。小臂驱动电机与30曲柄连接，小臂连杆一端与30曲柄连接，另一端与小臂连接。当小臂驱动电机转动通过30曲柄和小臂连杆传动，最终实现小臂的一个摆动。大臂驱动电机直接与大臂相连接，所以大臂转动直接驱动大臂摆动。除了以上最为巧妙的连杆机构在于使模块支架保持水平而不会受大臂小臂的影响。它是通过连杆固定杆与135连杆连接，其中三角连杆有三端，一端与小臂连接，另两端分别与135连杆和160连杆连接，最后160连杆与模块支架连接。从而使模块支架无论在何种运动之下都能够保持水平工作。

2 控制系统设计

2.1 控制概况

本项目的控制系统采用LabVIEW平台开发上位机，下位机使用的是STM32单片机，它的控制原理是通过电脑上LabVIEW所开发的上位机面板发送信息，单片机接收数据，并控制机器人的各个关节进行相应角度和反向的运动，利用连杆传动结构实现机器人的运动，具体的控制流程框图如图3所示。

2.2 控制原理及应用

通过在LabVIEW中编写信息发送机制，在LabVIEW上位机的控制面板设置笛卡尔坐标系的三个轴的控制标尺，通过选择控制尺的值来给下位机发送相应的坐标值。在LabVIEW的程序上编写坐标点的储存机制和读取机制，并在LabVIEW上位机的控制面板设置储存开关来对机器人的坐标点进行存储，设置特征按钮将坐标值添加上对应的特征信息，设置执行开关将所存的坐标值及特征信息发送给下位机。通过在下位机编写信息接收机制，下位机通过接收到坐标值和特征信息通过算法转换成机器人各关节所需要转过的角度值，控制机器人的各个关节上的步进电機往对应的方向转动相应的角度值，从而使机器人终端来达到对应的坐标值。本机器人可对线路图形进行试教再现。endprint

2.3 机器人算法分析

2.3.1 坐标转换算法

通过几何算法就是抓住机器人系统的几何特征，运用几何的知识来求解。将机器人简化为如图6机器人简化图所示。

从图4中可看出，机器人有一个基座旋转关节和三个转动关节组成，图中的实线为机器人的本体，虚线是为了方便几何计算而添加上的辅助线。其中关节2到基座的长度为d1，关节2到关节3长度为a2，关节3长度为a3这三个长度根据机器人设计工作范围计算得出。其中即为各关节由初始零位状态运动到目标位置时所旋转的角度。

设基座为Z轴，向右为X轴，向前方为Y轴，建立一个坐标系，设目标物体的坐标为（x，y，z），θ1是第一个关节即基座关节旋转的角度，该坐标只与物体的x，y坐标有关，如图4的上部分，故有：

和θ2=θ1+π

有图4下半部分可看出关节2和4做了一條虚线，与关节2和3构成了一个三角形，设虚线长度为dis，并在4关节到1关节做一条垂直线，有此可得：（d1-z）2+x2+y2=dis。

这样在三角形内，根据余弦定理，可求得：

，

这样：θ3=π-Phi。

在两条虚线和1关节轴构成的直角三角形内：

故得：θ2=π-A-B

由于机械结构的原因，此机器人关节4为从动关节，不需要进行控制就可以保持水平。通过此算法可得出对应姿态三个关节所需要的旋转的角度。

2.3.2 平面曲线算法

本机器人用到的曲线算法其实是采用圆弧拟合得出曲线，通过确定曲线上的节圆从而得到曲线，节圆又通过确定三个坐标值，联立圆的一般式，如图5为联立后得出的一般式三个系数的表达式。

2.3.3 LabVIEW控制界面设计

机械手的上位机是在LabVIEW平台上编写的，通过LabVIEW自带的VISA库与下位机STM32通讯，将操控平面的坐标数据发给下位机，并且可将坐标点储存起来，当要执行试教的时候可以调出发给下位机，通过上位机的圆弧标志开关来设置圆弧试教段。图6为上位机控制界面。

参考文献

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Abstract：With the transformation and upgrading of Chinese manufacturing industry， each enterprise take to use machine replace the labor which method cost lowest. The mainstream method is use the six-axis industrial robot to the production line in current enterprise， replacing the previous workers' handling， installation， gluing and other work. But， the six-axis robot is more expensive and less adapt to the application of small enterprises. In industrial production， there are still many workers engaged in very simple work， this part of the work usually using the four - axis robot can completed. The design and research of the desktop four-axis robot， including complete the design of robot system， mechanical， hardware and software， etc. The design needs to consider the structure， control system， kinematics analysis and so on. Through the function debugging of the four-axis industrial robot， the expected effect is achieved.

Key words：desktop four industrial robot； manipulator；control system designendprint